地下管線陰極防蝕

目前，國內地下管線，由於埋設時間日久，老化腐蝕問題有愈來愈嚴重之趨勢。特別是新近埋設的管線，常在使用幾年之內，很快便發生腐蝕洩漏問題，嚴重的甚至發生在一、二年內。究其原因，除了施工品質不良外，也因管線周圍土壤環境愈來愈複雜，以及防蝕觀念不正確所致。
當腐蝕發生時，地下管線表面會產生不同的電位，這種管線的腐蝕行為稱為腐蝕電位，包括以下四種組成：陽極、陰極、陽極與陰極的通路、電解液等。
一、陰級防蝕法介紹
陰極防蝕是目前廣為接受的腐蝕控制方法之一，可減低或去除地下管的腐蝕，主要係應用電化學電池原理，將管線表面塑造成陰極環境，此種防蝕方法有二種型式：
1. 犧牲陽極法：主要利用負電位金屬為陽極，與地下管線的介質（土壤、水等）聯結，形成一電位學電池。由於異類金屬相接觸時，較活潑之金屬（陽極）會在反應中被消耗，而鈍化的地下管線（陰極）會因此而被保護。其優點：（1）不需外加電源；（2）安裝簡易；（3）初期投資較少，且維護費用低廉；（4）不需經常測量。但其缺點則為：（1）輸出電流少；（2）僅適用於低電阻土壤；（3）不適用於大裸露面積。   2. 外加電流法：主要利用外部電源來提供陰極與陽極間的電位差。陽極必須接於電源正端，而地下管線則接於電源負端。電流從陽極經過介質（土壤、水等）到達地下管線表面，然後沿著地下管線經導線回到電源處，如此一來，地下管線便受到保護。其優點包括：（1）輸出電流較多，可保護較大面積的地下管線；（2）輸出電流可調整；（3）可適用於任何電阻係數的土壤。但其缺點為：（1）外部電流失效時就失去防護作用；（2）初期投資及維護費用較高。（3）需經常測試；（4）整流器、陰極連接線有安全上的考量。
為達正常的防蝕效果，執行陰極防蝕設計前，須先進行下列研究：
(1) 陰極防蝕設計、工程規範及法令要求；   (2) 地下管線操作程序；   (3) 地下管線安全性、地理環境、危險區域；   (4) 現場測試。通常要以最小安裝、最低的維護、最低操作成本，來達成陰極防蝕的最佳設計。
陰極防蝕保護標準的選擇，是依據過去在相同環境、相同結構，採用相同標準，防蝕成功的經驗。
二、防蝕管理與維護
陰極防蝕系統的建立，的確能降低地下管線的腐蝕率、延長管線使用壽命，但最終成效仍須繫於良好的管理與維護。否則，如陰極防蝕系統若處於不正常的運轉，可能導致過度保護地下管線，而產生氫脆化，降低材料延展性，造成意外破損或停機，嚴重時到則會造成管線因而停止輸送。又如整流器損壞，可能導致地下管線防蝕功能降低或中止。因此，良好的維護管理，包括下列各項執行步驟：
● 定期檢查陰極防蝕系統：在防蝕系統啟用時，應先測量系統是否符合設計要求，並記錄實施前及實施後，地下管線對大地的電位、使用電流、電壓數值等資料。而且，防蝕系統啟用後，還需定期進行查驗，定期檢查項目請參考表1。   ● 陽極的維護管理：查看陽極電纜是否損壞或接觸不良，輸出電流如無法維持正常電位，則應予以更新。   ● 防蝕系統維護記錄管理：     1. 保護段地下管線資料：塗裝、包覆之材料及所用規範；檢查塗裝、包覆良好之紀錄；腐蝕損壞紀錄；絕緣裝置之設計規範、位置。   2. 防蝕設計資料：包括所需電流量、地床位置、土壤電阻紀錄、介質電阻率、干擾電流測試及消除裝置方式，及地下管線陰極防蝕設計前與預備調查資料，以決定是否需要絕緣法蘭或其它結構物連接，估計額外的電流寬度。   3. 防蝕系統之設置資料：包括外加電流法與犧牲陽極法之設置位置、地權取得同意書及啟用日期、陽極形式、大小、回填料、間距，以及整流器、電源規範等。   4. 消除干擾之裝置及排放開關：包括干擾來源設備所屬公司名稱、消除裝置名稱位置、排流器電阻值、開關規範、排放電流大小、極性、有效可調整範圍等。   5. 維護檢修資料：包括整流站檢查、正常電位測試、整流器、直接電源、陽極、連接線、導線、消除干擾之裝置、排放開關之維護資料。
結語
地下管線陰極防蝕系統的建立，的確能使地下管線腐蝕率降低、延長地下管線的使用壽命，但最終成效仍繫於良好的設計與檢測；至於施工後的管理與維護，更是確保地下管線安全的關鍵。目前，可結合管線管理地理資訊系統，亦是地下管線陰極防蝕設計檢測有效維護管理的資源，提供讀者參考。
表1 防蝕系統啟用檢查表

“陰極保護”(Cathodic Protection, a.k.a. CP) 是 1824年時在倫敦由爵士漢弗萊戴維 (Sir Humphry Davy)在一系列提交給了英國皇家學會的論文中所提出的概念。經過一系列的測試後，此工法被應用在 HMS Samarang 號的戰艦上。以鐵為母材的犧牲陽極被運用來安裝在銅體船殼上並有效的大大降低了船隻在海水中的腐蝕速率。

由電化學的角度，已一個外加的直流電來極化金屬陽極區塊並使其和金屬陰極區等同電位因而來的降低金屬中的腐蝕電流，達到金屬防蝕的目的。陰極防蝕 是現今防止電化學防蝕最有效，方便，便宜且國際廣用的防蝕技術也是最可行的 Retro-Fitting 工法。

 

 

       陰極防蝕工法之運用

 

1: 外加電流法

係利用外部直流電源裝置，以土壤與海水作為電解質，設置陽極，提供防蝕電流，達到鋼筋防蝕之目的。

• 鈦混合金屬氧化物 陽極 (Ti MMO Anode System)
• 深/淺 井陽極系統 (Deep / Shallow Well Anode System)
• 鈦網陽極 (Titanium Mesh Anode)

2: 犧牲陽極法

係使用相對於鋼材活性較高(易氧化)之金屬(例如鋅)等做為犧牲陽極，以導線連接鋼筋與陽極，利用兩者間的電位差產生防蝕電流，以達到鋼筋防蝕之目的。

 

• 鋁、鋅陽極塊 (sacrificial anodes)
• 鋅熔射方式 (Sprayed Sacrificial Zinc Metalizing System)
• 鋅網-外覆保護夾層方式 (Sacrificial Cathodic Protection Pile Jacket, Lifejacket System )

 

 陰極防蝕工法選擇 
                                       ■  外加電流法                    ■  犧牲陽極

                                             需要電源                              不需要電源

                                             施工複雜                              裝置簡單、施工容易

                                             需要定期維護                      維護成本較少

                                             初期成本較高                      成本較低

陰極防蝕原理簡單，防蝕效果安定，且施工簡易，維修費用低，故頗具經濟效益。